Astroteilchenphysik II

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1 Astroteilchenphysik II Sommersemester 2015 Vorlesung # 20, Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Neutrinos - Reaktor-Experimente für q 13 : Daya Bay Reno Double Chooz - LBL Beschleuniger: DUNE - lepton. CP-Verletzung - Neutrino-Eigenschaften: Dirac- / Majorana- Teilchen KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 atmosphärische Neutrinos Super-Kamiokande: Azimuthwinkel-Verteilung cosq für GeV- atmosphärische Neutrinos n µ : n e = 2 : 1 kosmische Strahlung Zenithwinkels q legt den n-flugweg L n ( km) fest n µ : n e Flavour Verhältnis R = 2 : 1 梶田隆章 maximale n µ -n t Mischung Dm 2 = ev 2 sin 2 2q > G. Drexlin VL20

3 Oszillationsexperimente an Beschleunigern Erzeugung eines n-strahls: Protonen treffen auf C-Target, Zerfall p + µ + + n µ (magnet. Fokussierung): n µ s mit GeV Beschleuniger Target+Horn Detektor p Synchrotron Zerfallstunnel (evakuiert): Erzeugung von n µ K + p + µ + n µ Synchrotron Monitor Untergrundlabor Zugang Target magnetisches Horn: Ladungsselektion km-abschirmung: Myonen werden abgebremst: Zerfall µ+ erfolgt in Ruhe (n s mit MeV) massiver Detektor zum Nachweis von: n µ : CC-Reaktionen mit Myonspuren n e : CC-Reaktion mit elmagnet. Schauer G. Drexlin VL20

4 3-Flavour Neutrino-Oszillationen: q 13 generische 3 Flavour-Oszillationen Mischungswinkel q 13 U cosq sinq cosq13 0 sinq13e 0 sinq e cosq12 sinq 0 sinq i sinq cosq12 i 23 cosq 23 0 cosq Reaktor- Experimente disappearance Kanal: P(n e n e ) - nur q 13, keine anderen Parameter - keine Flavour- Kontamination - n-fluß (2-/multi-Detektorsysteme) Reaktorexperimente bei kurzem Abstand (L=1-2 km) (d.h. auf der Dm 2 23 Skala): - Messung eines Defizits durch generische 3n-Mischungen - q 13 -Mischung: groß oder klein (0 < q 13 < 45 ) G. Drexlin VL20

5 Reaktor nexperimente für q 13 Wahrscheinlichkeit P ee Ziel: Messung des Mischungswinkels q 13 via n e -disappearance auf der Dm 2 Skala von atmosphärischen n s bei Dm 2 13 ~ ev L n ~ 1 km E n = 3 MeV perfekte L/E Auflösung Abstand L = 1 km Abstand zu Reaktor L [km] P ee 1 sin cos q 2q sin sin 2q 1. Oszillationsmaximum durch kleine q 13 Mischung 1. Oszillationsmaximum durch starke q 12 Mischung atmosphärische Skala 1.27D m En 12 sin L n 1.27D m En 2 12 L n solare Skala Observable: nahe-ferne Rate G. Drexlin VL20

6 Reaktor nexperimente für q 13 Wahrscheinlichkeit P ee Ziel: Messung des Winkels q 13 via n e -disappearance auf Dm 2 Skala von atmosphärischen n s bei Dm 2 13 ~ ev 2 CHOOZ L n ~ 1 km E n = 3 MeV q 13 < 12 sin 2 2q 13 < 0.17 (90% CL) perfekte L/E Auflösung Abstand L = 1 km Abstand zu Reaktor L [km] 2-/multi-Detektoren q 13 < 3-5 Double Chooz, France Reaktor-Oszillationsexperimente red. Systematik sin 2 2q 13 < (90% CL) Reno, Korea Daya Bay, China G. Drexlin VL20

7 Reaktor nexperimente für q 13 Reduktion der Systematik: Messung an naher & ferner Position nah ( m) : hohe Statistik ( n s/t), keine Oszillation fern ( m): geringe Statistik ( n s/t), q 13 Oszillation nahe ferne Rate: Verständnis der Detektor-Systematik zu < 1%! Experiment P th [GW] nah/fern [m] Tiefe [mwe] Masse [t] Start sin 2 (2q 13 ) Double Chooz / / / Daya Bay (500) /1985(1613) 260 / RENO / / nah: 400 n s / T fern: 50 n s / T nah: 1580 n s / T fern: 90 n s / T nah: 1280 n s / T fern: 114 n s / T G. Drexlin VL20

8 Double Chooz Überblick zwei identische Detektoren: nah (L = 410 m) & fern (L = 1050 m) 3-fache innere Struktur: n-target g-fänger Buffer-Volumen 3-fache Veto-Struktur: inneres µ-veto Stahlwand äußeres µ-veto äußeres µ-veto inneres µ-veto (90 m 3 ) Stahlwand (15 cm gegen g s) n-target (LS+0.1%Gd) (10.3 m³) g-fänger (LS) (22.6 m³) Buffer-Volumen mit 390 PMTs (10 ) (114 m³) 7 m 7 m g-fänger n-target G. Drexlin VL20

9 Ereignisse [0.5 MeV] Double Chooz - Resultate Messungen: 101 Tage ( ), veröffentlicht Ereignisse beobachtet (nur ferner Detektor) ± 165 Ereignisse erwartet (ohne q 13 -Oszillation) Resultate: - Verhältnis erwartet/beobachtet R = ± stat ± syst - e + Analyse: Rate & Spektrum sin 2 2q 13 = ± ± < sin 2 2q 13 < 0.16 (90%CL) - no oscillation Hypothese wurde mit 94.6% CL ausgeschlossen - nach Fertigstellung des nahen Detektors im Mai 2015 weitere Reduktion systematischer Fehler Daten keine Oszillation q 13 Oszillation Untergrund E [MeV] G. Drexlin VL20

10 RENO Experiment Messungen: 229 Tage ( ), veröffentlicht: naher Detektor: n e, ferner Detektor: n e - Resultat: sin 2 2q 13 = ± (stat) ± (syst.) ( 4.9 s) naher Detektor Reaktoren Reactor Experiment for Neutrino Oscillations ferner Detektor Yong Gwang: 靈光 (glorious light) 6 Reaktorblöcke 16.4 GW therm naher Detektor 1280 n s / Tag ~10 6 n s in 3 a ferner Detektor 114 n s / Tag ~10 5 n s in 3 a G. Drexlin VL20

11 Daya Bay Experiment - Überblick Anordnung: ultimative Konfiguration für Reaktor-Oszillationsexperimente - Schwerpunkt: Minimierung der systematischen Effekte - 6 Reaktorblöcke an 3 Orten (als Dublette ): Daya Bay & Lin Ao-I/II - 1 ferne Halle mit 4 Detektoren, 2 nahe Halle, jede mit 2 Detektoren - 8 identische Detektoren für cross-checks (6 fertiggestellt & in Betrieb) ferner Detektor 90 n s / Tag von DB+LA naher Detektor DB: 840 n s / Tag LA: 740 n s / T 团结 奉献 信念 --- 记大亚湾反应堆中微子实验装配工作全面展开 Daya Bay (DB) GW Ling Ao (LA) GW Ling Ao II (LA) GW G. Drexlin VL20

12 Daya Bay Experiment Detektoren Aufbau & Abschirmung der baugleichen Daya Bay Antineutrino-Detektoren (AD) innere H 2 O Abschirmung äußere 20 t g-fänger 40 t Buffer 20 t n-target: Gdgeladener Szintillator AD-Gestell Beton G. Drexlin VL20

13 Daya Bay Experiment Aufbau Experimentelle Konfiguration mit 6 ADs (2011) EH= Experimentier- Halle (1,2,3) G. Drexlin VL20

14 Verhältnis Ereignisse [0.25 MeV] Daya Bay Experiment Resultate Messungen: 55 Tage ( ), veröffentlicht: naher Detektor: n e, ferner Detektor: n e - Resultat: sin 2 2q 13 = ± (stat) ± (syst.) ( 5.2 s), nur Rate ferne EH nahe EH prompte Energie [MeV] G. Drexlin VL20 q 13 = 0 bester Fit N nachgewiesen /N erwartet Phys. Rev. Lett. 108, (2012) 6% Reduktion gewichteter Abstand [km]

15 Daya Bay Experiment Status heute Datennahme bis Ende 2017, dann Präzision für 2 q 13 und Dm 13 bei ~ 3% G. Drexlin VL0x

16 Daya Bay Experiment Status heute q 13 ist groß! G. Drexlin VL0x

17 3-Flavour Oszillationen: q 13 & CP generische 3 Flavour-Oszillationen Mischungswinkel q 13 U cosq sinq 0 cosq13 0 sinq13e 0 sinq e cosq12 sinq 0 sinq i sinq cosq12 i 23 cosq 23 0 cosq13 0 Motivation zukünftiger Beschleuniger-Experimente - Messung der leptonischen CP-Phase (leptonische CP-Verletzung) - Vorzeichen von Dm 2 23 CP-Verletzung im Standardmodell - Quark-Sektor: Phase in CKM-Matrix: sehr klein - QCD: bisher nicht beobachtet (Axionen?) - Leptonen: Phase in der PMNS-Matrix - falls Majorana-n s: 2 Majorana-Phasen a 1, a G. Drexlin VL20

18 Beschleuniger-Experimente Motivation zukünftiger Beschleuniger-Experimente - Messung der CP-Phase - Vorzeichen von Dm Sacharov - Kriterien Materie- Antimaterie- Asymmetrie Materie Antimaterie 1. CP- und C-verletzende Prozesse CP-Verletzung im leptonischen Sektor (CP-Phase ) 2. kein thermodynam. Gleichgewicht Beispiel: Neutrino-Oszillationen 3. B verletzende Prozesse Verletzung von B, L ist möglich in GUTs, aber (B L) bleibt erhalten! Leptogenese? (L-verletzender Zerfall schwerer Majorana-n s) G. Drexlin VL20

19 LBL-Beschleuniger-n-Experiment DUNE DUNE: Deep Underground Neutrino Experiment Deep Underground Science and Engineering Laboratory Erzeugung des n-strahls multi-kt Flüssig- Argon- Detektor G. Drexlin VL20

20 5.5 n-masse: ß-Zerfallskinematik & 0nßß G. Drexlin VL20

21 Neutrinoeigenschften intrinsische Eigenschaften der Neutrinos n e, n µ, n t welche generischen Mechanismen sind dafür verantwortlich? intrinsische Neutrino-Eigenschaften CP-Eigenschaften: Majorana- oder Dirac-n (DL = 0,2) n M oder n D absolute Massen: hierarchisch/quasi-degeneriert m 1, m 2, m 3 Mischungswinkel der WMNS-Matrix (komplexe) Majorana-Phasen [bei 0nßß] a 2, a 3 (reale) Dirac-Phase [bei n-oszillationen] Lebensdauern t 1, t 2, t 3 Zerfallsmoden (radiativ, nicht-standardmodell-moden) G i magnetisches Dipolmoment (statisch/übergangsmoment) µ n elektrisches Dipolmoment D mittlerer quadratischer Ladungsradius r 2 Kopplungen an Eichbosonen & Higgs (g, W ±, Z 0, H) - sterile Neutrinos: ev-skala kev-skala (Warme Dunkle Materie) q ij g j G. Drexlin VL20

22 CP Eigenschaften intrinsische Teilchen-Antiteilchen Symmetrie von Neutrinos? Dirac-n und Majorana-n nur unterscheidbar falls m n 0 Dirac Neutrino 4 n Zustände Leptonenzahl- Erhaltung DL = 0 Neutrino Antineutrino Majorana Neutrino n D n L CPT _ n R Lorentz Lorentz _ n L CPT n L n R 2 n Zustände Leptonenzahl- Verletzung DL = 2 Neutrino = Antineutrino n M n L CPT n R G. Drexlin VL20

23 Neutrinomassen in der Teilchenphysik Higgsmechanismus: Teilchen erhalten Masse durch Wechselwirkung mit skalarem Higgs-Boson, dies führt zu einer Änderung der Händigkeit chiral linkshändiges rechtshändiges Fermion, d.h. n L,R n L,R Teilchenart Skala m [MeV] Photon g masselos 0 Elektron e leicht Myon µ mittel Top-Quark t schwer Higgs: leichtes n R see-saw: schweres n H SM-Neutrino n L masselos 0 Dirac n n D sehr leicht Majorana n n M sehr leicht G. Drexlin VL20

24 Neutrinomassen in der Teilchenphysik n-oszillations-resultate implizieren: - Neutrinos sind massebehaftet! - große Mischungswinkel q ij - bekannte Differenz der Massenquadrate Dm 2 ij - aber: keine Absolutskala der n-massen! G. Drexlin VL20

25 Neutrinomassen in der Teilchenphysik generische Neutrinomassen-Modelle quasi-degeneriertes Szenario m 1 m 2 m 3 Dm ij2 «m i hierarchisches Szenario m 1 «m 2 «m G. Drexlin VL20

26 Neutrinomassen in der Kosmologie primordiale Neutrinos (mev) heiße dunkle Materie W n h 2 = S m n / 92 ev m n = 0 ev m n = 1 ev m n = 7 ev m n = 4 ev G. Drexlin VL20

27 Neutrinomassen in der Astroteilchenphysik Neutrinomassen-Szenarien und heiße dunkle Materie Tritium ß-Zerfall Dunkle Energie Dunkle Materie Baryonen KATRIN noszillationen Sterne Gas W n h 2 = S m n / 92 ev G. Drexlin VL20

28 Neutrinomasse: Status und Perspektiven Kinematik ß-Zerfall absolute n-masse: m n modellunabhängig Status: m n < 2.3 ev Potenzial: m n = 200 mev KATRIN, (MARE) Neutrinomassenexperimentelle Techniken: Status & Potenzial Suche nach 0nßß eff. Majoranamasse m ßß modellabhängig (CP) Status: m ßß < 0.35 ev, Evidenz? Potenzial: m ßß = mev GERDA, EXO, CUORE, MAJORANA, SNO+, KamLAND-Zen, Kosmologie Summe Sm i, HDM W n modellabhängig (Multiparameter) Status: Sm i < ev Potenzial: Sm i = mev Planck, LSST, weak lensing G. Drexlin VL20